Исследование процесса получения жидкого стекла из кремнегеля для использования в металлургии

Цель исследования – изучение возможности получения раствора силиката натрия (жидкого стекла) с  использованием  техногенного  сырья  для  последующего  применения  в  металлургической  практике.  Объектом исследования являлся промышленный отход производства фторида алюминия – кремнегель, представляющий собой тонкодисперсный порошок диоксида кремния с содержанием влаги более 55% масс. Кремнегель был подготовлен путем проведения его очистки с использованием низкоконцентрированного раствора серной кислоты. Процесс получения жидкого  стекла  проводился  с  использованием  системы  реакторов  HEL  Auto-Mate  Reactor  System.  Определение содержания кремния в растворе осуществлялось на анализаторе Shimadzu EDX-7000P рентгенофлуоресцентным методом.  Для  определения  щелочи  в  полученном  продукте  был  использован  титриметрический  метод  анализа. Проведение  предварительного  процесса  очистки  позволило  получить  кремнегель  с  содержанием  аморфного диоксида  кремния  более  98%  масс.  По  результатам  исследования  были  установлены  оптимальные  параметры процесса  получения  жидкого  стекла:  температура  –  100°С,  время  процесса  –  4,5  ч,  скорость  перемешивания  – 300 об/мин и концентрация исходного щелочного раствора – от 10 до 17,5% масс. Полученный раствор жидкого стекла имел массовое содержание диоксида кремния от 16,65 до 23,77% масс. и силикатный модуль от 2,72 до 3,16, что удовлетворяет требованиям товарной продукции, реализуемой в различных отраслях промышленности. На основе проведенных экспериментов предложены оптимальные параметры процесса получения жидкого стекла из техногенного сырья – кремнегеля. Жидкое стекло с полученными характеристиками в дальнейшем может быть использовано в качестве связующего материала в металлургических процеcсах.

1. Luling C., Rucker-Gramm P., Weilandt A., Beuscher J., Nagel D., Schneider J., et al. Advanced 3D textile applications for the building envelope // Applied Composite Materials. 2022. Vol. 29. Iss. 1. P. 343–356. https://doi.org/10.1007/s10443-021-09941-8.

2. Bakatovich A., Gaspar F. Composite material for thermal insulation based on moss raw material // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 228. P. 116699. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.116699.

3. Słonina M., Dziurka D., Smardzewski J. Experimental research and numerical analysis of the elastic properties of paper cell cores before and after impregnation // Materials. 2020. Vol. 13. Iss. 9. Р. 2058. https://doi.org/10.3390/ma13092058.

4. Zhang Bingru, He Chengjun, Chen Xi, Tian Zhipeng, Li Fengting. The synergistic effect of polyamidoamine dendrimers and sodium silicate on the corrosion of carbon steel in soft water // Corrosion Science. 2015. Vol. 90. P. 585–596. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2014.10.054.

5. Yang Jie, Li Zhongheng, Shi Jinfa, Yan Zhenwei. Study on the corrosion inhibition performance of sodium silicate and polyaspartic acid for 35CrMo steel // International Journal of Electrochemical Science. 2023. Vol. 18. Iss. 4. P. 100042. https://doi.org/10.1016/j.ijoes.2023.100042.

6. Немчинова Н.В., Минеев Г.Г., Тютрин А.А., Яковлева А.А. Разработка технологии руднотермической плавки окускованной шихты из техногенного сырья для производства кремния // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 12. С. 948–954. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-12-948-954.

7. Немчинова Н.В., Леонова М.С., Тютрин А.А. Экспериментальные работы по плавке окомкованной шихты в производстве кремния // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 1. С. 209–217. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-1-209-217.

8. Nemchinova N.V., Leonova M.S., Tyutrin A.A., Bel’skii S.S. Optimizing the charge pelletizing parameters for silicon smelting based on technogenic materials // Metallurgist. 2019. Vol. 63. Iss. 1-2. P. 115–122. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00800-3.

9. Rasuli M.I., Tajunnisa Yu., Yamamura A., Shigeishi M. A consideration on the one-part mixing method of alkali-activated material: problems of sodium silicate solubility and quick setting // Heliyon. 2022. Vol. 8. Iss. 1. P. e08783. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e08783.

10. Дубовиков О.А., Белоглазов И.И., Алексеев А.А. Особенности применения пылеугольного топлива в комбинированных процессах химического обогащения // Обогащение руд. 2023. Вып. 6. C. 32–38. https://doi.org/10.17580/or.2022.06.06.

11. Tong K.T., Vinai R., Soutsos M.N. Use of Vietnamese rice husk ash for the production of sodium silicate as the activator for alkali-activated binders // Journal of Cleaner Production. 2018. Vol. 201. P. 272–286. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.08.025.

12. Villaquirán-Caicedo M.A. Studying different silica sources for preparation of alternative waterglass used in preparation of binary geopolymer binders from metakaolin/boiler slag // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 227. P. 116621. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.08.002.

13. Criado M., Vicent M., García-Ten F.J. Reactivation of alkali-activated materials made up of fly ashes from a coal power plant // Cleaner Materials. 2022. Vol. 3. P. 100043. https://doi.org/10.1016/j.clema.2022.100043.

14. Yadav M., Dwibedi V., Sharma S., George N. Biogenic silica nanoparticles from agro-waste: Properties, mechanism of extraction and applications in environmental sustainability // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022. Vol. 10. Iss. 6. P. 108550. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108550.

15. Supiyani, Agusnar H., Sugita P., Nainggolan I. Preparation sodium silicate from rice husk to synthesize silica nanoparticles by sol-gel method for adsorption water in analysis of methamphetamine // South African Journal of Chemistry. 2022. Vol. 40. P. 80–86. https://doi.org/10.1016/j.sajce.2022.02.001.

16. Hwang Jongkook, Lee Jin Hyung, Chun Jinyoung. Facile approach for the synthesis of spherical mesoporous silica nanoparticles from sodium silicate // Materials Letters. 2021. Vol. 283. P. 128765. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128765.

17. Krachuamram S., Chanapattharapol K.C., Kamonsutthipaijit N. Synthesis and characterization of NaX-type zeolites prepared by different silica and alumina sources and their CO2 adsorption properties // Microporous and Mesoporous Materials. 2021. Vol. 310. P. 110632. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110632.

18. Котова О.Б., Шабалин И.Л., Котова Е.Л. Фазовые трансформации в технологиях синтеза и сорбционные свойства цеолитов из угольной золы уноса // Записки Горного института. 2016. Т. 220. С. 526–531. https://doi.org/10.18454/pmi.2016.4.526.

19. Koohsaryan E., Anbia M., Maghsoodlu M. Application of zeolites as non-phosphate detergent builders: a review // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2020. Vol. 8. Iss. 5. P. 104287. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104287.

20. Фиговский О.Л., Кудрявцев П.Г. Жидкое стекло и водные растворы силикатов, как перспективная основа технологических процессов получения новых нанокомпозиционных материалов // Инженерный вестник Дона. 2014. Т. 47. № 2. С. 124–134.

21. Бондаренко Д.О., Бондаренко Н.И., Бессмертный В.С., Изофатова Д.И., Дюмина П.С., Волошко Н.И. Энергосберегающая технология получения силикат-глыбы для производства жидкого стекла // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. Vol. 2. Iss. 10. С. 111–115. https://doi.org/10.12737/article_59cd0c60148053.59501281.

22. Александрова Т.Н. Комплексная и глубокая переработка минерального сырья природного и техногенного происхождения: состояние и перспективы // Записки Горного института. 2022. Т. 256. С. 503–504.

23. Пат. № 2430018, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / Р.В. Петрунин, В.В. Русина, С.А. Львова, Е.В. Корда. Заявитель и патентообладатель: Братский государственный университет. Заявл. 23.11.2009; опубл. 27.09.2011. Бюл. № 27.

24. Пат. № 2220906, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / М.И. Балабанов, В.Д. Петрухин. Заявитель и патентообладатель: М.И. Балабанов, С.А. Кальфа, С.М. Леденев, В.Д. Петрухин. Заявл. 06.06.2002; опубл. 10.01.2004.

25. Пат. № 2548097, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ изготовления жидкого стекла / А.С. Цатурян, Б.Е. Красавцев, В.Б. Симкин, Э.А. Александрова, Б.Л. Александров. Заявитель и патентообладатель: Кубанский государственный аграрный университет. Заявл. 30.09.2013; опубл. 10.04.2015. Бюл. № 10.

26. Пат. № 2285665, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / А.А. Щелконогов, Н.Б. Овчинникова, Р.Г. Фрейдлина, А.И. Гулякин, Л.Н. Сабуров, С.А. Яковлева, М.В. Дудина. Заявитель и патентообладатель: Открытое акционерное общество «Асбестовский магниевый завод» (ОАО «АМЗ»). Заявл. 11.01.2005; опубл. 20.10.2006. Бюл. № 29.

27. Пат. № 2160707, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения высокочистого жидкого стекла / В.В. Виноградов, Д.В. Виноградов, А.А. Балков. Заявитель и патентообладатель: В.В. Виноградов, Д.В. Виноградов, А.А. Балков. Заявл. 29.06.1998; опубл. 20.12.2000.

28. Пат. № 2188793, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / Е.А. Никифоров, В.П. Елагин. Заявитель и патентообладатель: Е.А. Никифоров. Заявл. 16.06.2001; опубл. 10.09.2002.

29. Пат. № 2047559, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / В.И. Кочкин, Н.И. Пузачев, Н.И. Столярова. Заявитель и патентообладатель: В.И. Кочкин, Н.И. Пузачев, Н.И. Столярова. Заявл. 14.07.1992; опубл. 10.11.1995.

30. Пат. № 2480409, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / М.В. Таук, И.И. Николаева, Т.Н. Черкасова. Заявитель и патентообладатель: Открытое акционерное общество «Акрон». Заявл. 26.10.2011; опубл. 27.04.2013. Бюл. № 12.

31. Артюшевский Д.И., Горшнева Е.А., Георгиева Э.Ю. Получение ценных продуктов из отходов производства фторида алюминия // Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований: тр. V Конгресса c междунар. участием и Конференции молодых ученых «ТЕХНОГЕН-2021» (г. Екатеринбург, 23–26 ноября 2021 г.). Екатеринбург: Институт металлургии УрО РАН, ООО Универсальная типография «Альфа Принт», 2021. С. 110–111. https://doi.org/10.34923/technogen-ural.2021.17.61.028.

32. Bazhin V.Y., Glaz’ev M.V. Combined refractory materials with addition of technogenic waste for metallurgical assemblies // Refractories and Industrial Ceramics. 2021. Vol. 61. Iss. 2. P. 644–648. https://doi.org/10.1007/s11148-021-00535-2.

33. Пщелко Н.С. Использование наноразмерных гидрофобизирующих покрытий для получения электретов на основе диоксида кремния // Записки Горного института. 2018. T. 230. C. 146–152. https://doi.org/10.25515/pmi.2018.2.146.

34. Дубовиков О.А., Сундуров А.В. Кинетика выщелачивания термоактивированного боксита // Обогащение руд. 2021. № 4. С. 34–39. https://doi.org/10.17580/or.2021.04.06.

35. Терещенко И.М., Дормешкин О.Б., Жих Б.П., Кравчук А.П. Комплексная переработка кремнегеля – многотоннажного отхода химических производств // Нефтехимия – 2018: матер. I Междунар. науч.-техн. форума по химическим технологиям и по нефтегазопереработке (г. Минск, 27–30 ноября 2018 г.). Минск: БГТУ, 2018. Ч. 1. С. 83–86.

36. Позин М.Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, оксидов и кислот): монография. Ч. 1; 4-е изд. (испр.). Л.: Химия, 1974. 768 с.

37. Бажин В.Ю., Двойников М.В., Глазьев М.В., Куншин А.А. Исследование свойств тампонажных растворов с добавкой отхода производства фтористого алюминия // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2020. Iss. 3. С. 39–42. https://doi.org/10.33285/0130-3872-2020-3(327)-39-42.

38. Мамченков Е.А., Акаев О.П., Акаева Т.К. Исследование температурно-временных характеристик взаимодействия модифицированного кремнегеля с гидроксидом натрия // Химия в интересах устойчивого развития. 2015. Т. 23. № 1. С. 97–102.

39. Пат. № 2660040, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / Е.А. Мамченков, С.И. Мамченкова, А.В. Мамченков. Заявитель и патентообладатель: Мамченков Е.А. Заявл. 22.02.2017; опубл. 04.07.2018. Бюл. № 19.

40. Пат. № 2022925, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / Г.Н. Алексеева, В.П. Харитонов, Э.М. Рычкова, И.В. Макарова, А.С. Захаров. Заявитель: Пермский филиал Научно-производственного объединения Государственный институт прикладной химии. Патентообладатель: Алексеева Г.Н. Заявл. 04.03.1991; опубл. 15.11.1994.

41. Пат. № 2036145, Российская Федерация, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / В.П. Тунгусов, Н.И. Горшков. Заявитель: Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. Патентообладатель: Акционерное общество «Всероссийский алюминиево-магниевый институт». Заявл. 26.11.1992; опубл. 27.05.1995.

42. Пат. № 22980, Республика Беларусь, СО1В 33/32. Способ получения натриевого жидкого стекла / И.М. Терещенко, Б.П. Жих, А.П. Кравчук. Заявитель и патентообладатель: Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет». Заявл. 22.12.2018; опубл. 30.06.2020.

43. Пат. № 11706, Республика Беларусь, СО1В 33/32. Способ получения жидкого стекла / М.И. Кузьменков, В.В. Заранский. Заявитель и патентообладатель: Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет». Заявл. 19.01.2006; опубл. 30.04.2009.

44. Pyagay I.N., Shaidulina A.A., Konoplin R.R., Artyushevskiy D.I., Gorshneva E.A., Sutyaginsky M.A. Production of amorphous silicon dioxide derived from aluminum fluoride industrial waste and consideration of the possibility of its use as Al2O3‐SiO2 catalyst supports // Catalysts. 2022. Vol. 12. Iss. 2. Р. 162. https://doi.org/10.3390/catal12020162.

45. Пат. № 2023105153, Российская Федерация. Способ получения жидкого стекла / И.Н. Пягай, Я.А. Свахина. Заявитель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет». Заявл. 07.03.2023.